JP2021191983A - 躯体蓄熱空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱運転時の熱ロスを抑制することができるとともに、空調対象となる方向へ放熱することができる躯体蓄熱空調システムを提供する。【解決手段】躯体蓄熱空調システム１は、所定の厚さを有し板状に形成された躯体２の内部に配置され、内部に熱媒体が流通する配管１０と、躯体２の内部に配置され、配管１０に接続されるとともに躯体２の厚さ方向に延び、躯体２よりも熱伝導率が高い接続部材３０と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、躯体蓄熱空調システムに関するものである。

従来から、建物の躯体の大きな熱容量を利用して蓄熱放熱を行う空調システム（ＴＡＢＳ:Thermo-Active Building System）の活用事例が増加している。通常、建物に蓄熱機構を取り入れる場合、蓄熱の媒質には水や氷等を用いるが、躯体の中に冷温水パイプを埋設することで躯体を蓄熱の媒質に活用し省スペース化を図ることができる。また、蓄熱機構は自然エネルギー利用との親和性も高く、ピーク電力消費量の低減も期待できるというメリットもあるため、持続可能な社会の形成に有用なシステムと考えられている。

ＴＡＢＳの基本的な運用は、建物を使用していない時間帯に蓄熱を行い、建物を使用している時間に放熱することで空調を行うものである。一般的な空調システムと比べて、システムの稼働から空調能力が発揮されるまでの時間遅れが大きいという特徴をもっている。このため、前述の運用サイクルを行うには、建物の利用時間を適切に把握しながら運用しなければ省エネルギーと逆行することになることが課題である。また、目的の場所で目的の時間に活用するためには、ＴＡＢＳの蓄放熱特性を把握していなければならないことも課題である。

このような背景の中、建物利用者にとって利用しやすいＴＡＢＳとするには空調能力が発揮されるまでの時間遅れが短く、且つ、放熱する方向が目的の場所となるようなシステムであることが望ましい。また、ＴＡＢＳでは蓄熱時間が長くなれば躯体内に熱が拡散し熱ロスも大きくなりやすいため、省エネルギーの観点からも目的の蓄熱量まで早く到達することが重要となる。

下記の特許文献１では、建物の室内側に面するように鉄板等の金属製の輻射パネルが配置されるとともに躯体に固定された躯体蓄熱構造が提案されている。輻射パネルによって、躯体への蓄熱を効率的に促すようになっている。

特許第５６９２６０３号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の躯体蓄熱構造では、躯体表面（躯体の室内側の面）に金属部材（輻射パネル）が露出していて、蓄熱運転時に熱ロスが生じるという問題点がある。また、空調対象となる方向へ放熱することが望まれている。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、蓄熱運転時の熱ロスを抑制することができるとともに、空調対象となる方向へ放熱することができる躯体蓄熱空調システムを提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る躯体蓄熱空調システムは、所定の厚さを有し板状に形成された躯体の内部に配置され、内部に熱媒体が流通する配管と、前記躯体の内部に配置され、前記配管に接続されるとともに前記躯体の厚さ方向に延び、前記躯体よりも熱伝導率が高い接続部材と、を備えることを特徴とする。

このように構成された躯体蓄熱空調システムでは、内部に熱媒体が流通する配管に接続された接続部材は、躯体よりも熱伝導率が高い。躯体の内部に配管だけが配置されている場合には、躯体における配管の周りの部分が冷却（または加熱）されるが、上記の構成では、躯体における配管の周りの部分に加えて躯体における接続部材の周りの部分も冷却（または加熱）される。よって、単位時間当たりの躯体の蓄熱効率が良く、蓄熱運転時の熱ロスを抑制することができる。
また、接続部材は、躯体の厚さ方向に延びている。よって、躯体における接続部材の先端側に面する空間に放熱することができるため、空調対象となる方向へ放熱することができる。

また、本発明に係る躯体蓄熱空調システムでは、前記躯体は鉄筋コンクリート造であり、前記接続部材は、前記躯体の厚さ方向に延びる本体部と、該本体部の一端部に設けられ、前記躯体の鉄筋に支持される鉄筋支持部と、を有していてもよい。

このように構成された躯体蓄熱空調システムでは、接続部材の鉄筋支持部が躯体の鉄筋に支持さるように接続部材を設置すればよいため、施工性が良い。

また、本発明に係る躯体蓄熱空調システムでは、前記鉄筋支持部は、前記躯体の厚さ方向と交差する方向に延びる形状をしていてもよい。

このように構成された躯体蓄熱空調システムでは、接続部材の鉄筋支持部は躯体の厚さ方向と交差する方向に延びる形状をしているため、躯体のコンクリートを打設する際に、鉄筋支持部によって接続部材の抜けが抑制される。

また、本発明に係る躯体蓄熱空調システムでは、前記躯体は床スラブであってもよい。

このように構成された躯体蓄熱空調システムでは、床スラブに躯体蓄熱空調システムを設置することで、床スラブの上方の空間及び下方の空間へ効率的に放熱することができる。

本発明に係る躯体蓄熱空調システムによれば、蓄熱運転時の熱ロスを抑制することができるとともに、空調対象となる方向へ放熱することができる。

本発明の一実施形態に係る躯体蓄熱空調システムを示す鉛直断面図である。 本発明の一実施形態に係る躯体蓄熱空調システムの３次元非定常伝熱解析のモデルの断面図であり、（ａ）は実施例１であり、（ｂ）は実施例２であり、（ｃ）は比較例１であり、（ｄ）は比較例２である。 本発明の一実施形態に係る躯体蓄熱空調システムの３次元非定常伝熱解析のモデルを示し、（ａ）は俯瞰図であり、（ｂ）は断面図であり、（ｃ）は接続部材の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る躯体蓄熱空調システムの３次元非定常伝熱解析における上下の放熱量及び蓄熱量の推移を示し、（ａ）は実施例１であり、（ｂ）は実施例２であり、（ｃ）は比較例１であり、（ｄ）は比較例２である。

本発明の一実施形態に係る躯体蓄熱空調システムについて、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る躯体蓄熱空調システムを示す鉛直断面図である。
図１に示すように、本実施形態の躯体蓄熱空調システム１は、建物の室内の床スラブ（躯体）２に設置されるものである。躯体蓄熱空調システム１は、床スラブ２に熱を貯め、建物利用時に床スラブ２の下側の居室（空間）Ａ１及び床スラブ２の上側の居室（空間）Ａ２へ熱を放熱するように運用される。

床スラブ２は、構造用床スラブ版２１と、増し打ち床スラブ版２６と、を備えている。

構造用床スラブ版２１は、所定の構造耐力を有する鉄筋コンクリート造で構成されている。構造用床スラブ版２１は、所定の厚さを有する略板状に形成されている。

構造用床スラブ版２１は、複数の鉄筋２２と、構造用コンクリート部２３と、を有している。鉄筋２２は、所定の方向に沿って配置されている。鉄筋２２は、構造用コンクリート部２３の内部に埋設されている。構造用コンクリート部２３は、板状に形成され、厚さ方向を鉛直方向に向けて配置されている。図１では、鉄筋２２は紙面と直交する方向に配置されているように示しているが、鉄筋２２は紙面の左右方向等所定の水平方向に沿って配置されていてもよい。構造用床スラブ版２１は、重量及び剛性を考慮し、長期及び地震時の荷重を支えるためのコンクリートである。

増し打ち床スラブ版２６は、構造用床スラブ版２１の厚さ方向の一方側に、つまり上側に配置されている。増し打ち床スラブ版２６は、板状に形成され、厚さ方向を鉛直方向に向けて配置されている。増し打ち床スラブ版２６は、コンクリート造または鉄筋コンクリート造で構成されている。増し打ち床スラブ版２６は、コンクリートが充填されたコンクリート部２７を有している。コンクリート部２７は、略水平面に沿う板状に形成されている。増し打ち床スラブ版２６は、重量のみに考慮されるコンクリートであり、荷重を支持していないコンクリート（構造体として扱われないコンクリート）である。

増し打ち床スラブ版２６の室内側に、つまり上側には、床仕上げ材２９が配置されている。床仕上げ材２９は、フローリングやカーペット等の仕上げ材で構成されている。なお、増し打ち床スラブ版２６と床仕上げ材２９との間に、不図示の断熱材や中間層が配置されていてもよい。

躯体蓄熱空調システム１は、複数の配管１０と、埋設金物（接続部材）３０と、を備えている。

配管１０は、増し打ち床スラブ版２６の内部に埋設されている。配管１０は、所定の方向に沿って延在している。配管１０は、鉄筋２２の鉛直上方に配置されている。配管１０は、略水平面に沿って配置されている。本実施形態では、配管１０は、鉄筋２２の延在方向に沿って配置されている。配管１０は、例えばアルミニウム三層管等の金属部材で構成されている。

配管１０は、不図示の給水装置及び処理装置に接続されている。配管１０には、不図示の給水装置から所定の温度の熱媒体（冷温水）が供給される。配管１０に供給された冷温水及びその周囲の増し打ち床スラブ版２６と居室Ａ１，Ａ２の空気との間で熱交換がされる。配管１０の内部を流通した熱媒体は、熱交換後に配管１０から不図示の処理装置に排出される。

埋設金物３０は、鉄筋２２と配管１０とを接続している。埋設金物３０は、床スラブ２の内部に埋設されている。埋設金物３０は、配管１０及び鉄筋２２の延在方向に沿って配置されている。埋設金物３０は、例えばアルミニウム等の床スラブ２よりも熱伝導率が高い金属部材で構成されている。本実施形態では、全ての配管１０が埋設金物３０で鉛直下方に配置された鉄筋２２と接続されているが、鉄筋２２と接続されていない配管１０があってもよい。

埋設金物３０は、金物本体部（本体部）３１と、下部延出部（鉄筋支持部）３２と、上部係止部３３と、を有している。

金物本体部３１は、鉛直方向（床スラブ２の厚さ方向）に延びている。金物本体部３１は、板状に形成されている。金物本体部３１の板面は、鉛直方向（接続方向）に沿って配置されている。

下部延出部３２は、金物本体部３１の下端部（一端部）に設けられている。下部延出部３２は、構造用床スラブ版２１の内部に埋設されている。下部延出部３２は、板状に形成されている。下部延出部３２の板面は、金物本体部３１の板面と直交するように配置されている。換言すると、下部延出部３２は、金物本体部３１と直交する水平方向（交差方向）に延びている。下部延出部３２は、鉄筋２２の上端部に当接配置されている。なお、下部延出部３２の形状は、鉄筋２２に支持される形状であれば適宜設定可能である。

上部係止部３３は、金物本体部３１の上端部（他端部）に設けられている。上部係止部３３は、増し打ち床スラブ版２６の内部に埋設されている。上部係止部３３は、配管１０の下部に沿う形状をしている。上部係止部３３の上面は、下方に膨らむ形状をしている。上部係止部３３に配管１０が嵌め込まれて、上部係止部３３は配管１０を係止している。

次に、図２の（ａ）〜（ｄ）の４つのケースについて、３次元非定常伝熱解析を実施し、効果について検証した。図３の（ａ）〜（ｃ）に、解析モデルを示す。
図２（ａ）に示す実施例１及び図２（ｂ）に示す実施例２では、上記に示す実施形態のように埋設金物３０を埋設している。図２（ｃ）に示す比較例１及び図２（ｄ）に示す比較例２では、埋設金物３０を埋設していない。実施例２及び比較例２では、増し打ち床スラブ版２６の上側に断熱材２８を配置している。

図３（ａ）に示すように、解析モデルを幅９００ｍｍ×奥行１０００ｍｍ×高さ２５０ｍｍの形状としている。幅は、３個の埋設金物３０が間隔を有して配列される方向である。奥行は、埋設金物３０の延在方向である。図２に示すように、構造用床スラブ版２１の高さは１５０ｍｍであり、増し打ち床スラブ版２６の高さは１００ｍｍである。図２（ｂ），（ｄ）に示すように、断熱材２８の高さは２０ｍｍである。断熱材２８は、仮想的な熱抵抗を与えることで考慮した。

解析条件は、以下の通りである。
送水温度を１８℃とする。送水量を２．５Ｌ／ｍｉｎとし、配管内側に対流熱伝達率を１３９０Ｗ／ｍ^２Ｋに固定で設定する。周辺環境温度を２６℃とする。埋設金物３０をアルミニウムの物性値で設定する。構造用床スラブ版２１及び増し打ち床スラブ版２６をコンクリートの物性値を設定する。断熱材２８をスタイロフォーム（登録商標）の物性値で設定する。配管１０をアルミ三層管の物性値で設定する。初期条件を２６℃とする。上部総合熱伝達率を１１．５Ｗ／ｍ^２Ｋとする。下部総合熱伝達率を９．０Ｗ／ｍ^２Ｋとする。配管１０のピッチを２００ｍｍとする。

冷水を５時間送水後、さらに送水を停止した状態で５時間経過するまでの非定常解析を実施した。上下空間への放熱は一定の対流熱伝達率を与えており、上下の空気温度を２６℃で一定とした。

蓄熱量を、下記の式（１）より求めた。

実施例１と比較例１とを比較すると、埋設金物３０を設置することで５時間通水時の蓄熱量は約１．５倍大きくなった。また、５時間通水時の上部への放熱量は約１．１倍、下部への放熱量は約２．０倍となっており、大きく空調性能が向上した。特に、下部への放熱量が大きくなっており、目的の場所へ埋設金物３０の先端（下部延出部３２）を向けることで放熱先を調整することができることがわかった。また、瞬時的な蓄熱量が多いことから、目標蓄熱量に達する時間が短く、熱ロスの低減及び冷水搬送動力の低減が期待できる。システム稼働から空調能力が発揮されるまでの時間遅れが小さいため、建物利用者が運用スケジュールをより管理しやすいシステムとなった。

一方で、送水を停止してからの蓄熱量の減衰は、埋設金物３０の有無による影響が小さい。放熱開始時の蓄熱量が異なるため、埋設金物３０が埋設されている方が放熱特性に優れているよう見えるが、指数関数的減衰における時定数にはほとんど差異がなかった。上下面の放熱に関しては、躯体内温度分布が異なることに起因して、埋設金物３０が埋設されている方が下部への放熱が大きくなった。上記の傾向は実施例２と比較例２との比較においても同様の傾向が確認できた。

床スラブ２の上側の断熱の有無について比較をすると、断熱材２８がある条件では断熱材２８がない条件に比べて蓄熱量が約１．１倍となった。床スラブ２の上部からの放熱量が減ったことが原因である。一方で、床スラブ２の下部からの放熱量は送水中にほとんど差異がなかったが、送水停止から５時間後においては約１．３倍の放熱量となった。断熱材２８によって蓄熱された熱が逃げづらくなり、長時間スラブ下部への放熱量を維持できた。

ある一定の形状を対象に検証したが、埋設金物３０には熱伝導性の高い素材を用いて、配管１０に接触しながら放熱したい方向へ先端部（下部延出部３２）が向いている形状であれば定性的に同様な傾向が得られる。配管１０の全てに埋設金物３０を用いる必要もなく、局所的に用いてもよい。

埋設する配管１０に沿わせる形でアルミニウムなどの埋設金物３０を設置することで、飛躍的に空調能力を高めることが可能である。また、空調能力が発揮されるまでの時間遅れが大きい、目的の場所への放熱が難しい及び蓄熱時間を長さによる熱ロスの発生という３つの問題も低減することが可能となる。

このように構成された躯体蓄熱空調システム１では、内部に熱媒体が流通する配管１０に接続された埋設金物３０は、床スラブ２よりも熱伝導率が高い。床スラブ２の内部に配管１０だけが配置されている場合には、床スラブ２における配管１０の周りの部分が冷却（または加熱）されるが、躯体蓄熱空調システム１では、床スラブ２における配管１０の周りの部分に加えて床スラブ２における埋設金物３０の周りの部分も冷却（または加熱）される。よって、単位時間当たりの床スラブ２の蓄熱効率が良く、蓄熱運転時の熱ロスを抑制することができる。

また、埋設金物３０は、床スラブ２の厚さ方向に延びている。よって、床スラブ２における埋設金物３０の先端部である下部延出部３２側に面する空間（空間Ａ１）に放熱することができるため、空調対象となる方向（空間Ａ１側）へ放熱することができる。

また、埋設金物３０の下部延出部３２が床スラブ２の鉄筋２２に支持さるように埋設金物３０を設置すればよいため、施工性が良い。

また、埋設金物３０の下部延出部３２は床スラブ２の厚さ方向と交差する方向に延びる形状をしているため、床スラブ２のコンクリートを打設する際に、下部延出部３２によって埋設金物３０の抜けが抑制される。

また、床スラブ２に躯体蓄熱空調システム１を設置することで、床スラブ２の上方の空間Ａ２及び下方の空間Ａ１へ効率的に放熱することができる。

なお、上述した実施の形態において示した組立手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記に示す実施形態では、埋設金物３０の下端部に下部延出部３２が設けられ、埋設金物３０の上端部に上部係止部３３が設けられているが、本発明はこれに限られない。埋設金物３０の金物本体部３１の下端部が鉄筋２２と接続され、金物本体部３１の上端部が配管１０と接続される構成であってもよい。

また、上記に示す実施形態では、躯体蓄熱空調システム１が建物の室内の床に設置されている例を挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。躯体蓄熱空調システム１は、建物の室内に面するように設置されていれば、天井や壁等に設置されていてもよい。

１…躯体蓄熱空調システム
２…床スラブ（躯体）
１０…配管
２１…構造用床スラブ版
２２…鉄筋
２６…増し打ち床スラブ版
３０…埋設金物（接続部材）
３１…金物本体部（本体部）
３２…下部延出部（鉄筋支持部）
３３…上部係止部

Claims (4)

1. 所定の厚さを有し板状に形成された躯体の内部に配置され、内部に熱媒体が流通する配管と、
   前記躯体の内部に配置され、前記配管に接続されるとともに前記躯体の厚さ方向に延び、前記躯体よりも熱伝導率が高い接続部材と、を備えることを特徴とする躯体蓄熱空調システム。
2. 前記躯体は鉄筋コンクリート造であり、
   前記接続部材は、
   前記躯体の厚さ方向に延びる本体部と、
   該本体部の一端部に設けられ、前記躯体の鉄筋に支持される鉄筋支持部と、を有する請求項１に記載の躯体蓄熱空調システム。
3. 前記鉄筋支持部は、前記躯体の厚さ方向と交差する方向に延びる形状をしている請求項２に記載の躯体蓄熱空調システム。
4. 前記躯体は床スラブである請求項１から３のいずれか一項に記載の躯体蓄熱空調システム。

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